CN1964090B - 氮化物基半导体器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化物基半导体器件及其制造方法，所述方法包括的步骤为：在蓝宝石衬底(1)上形成至少一个导电膜(2)；在该导电膜上形成至少一个氮化物基半导体层(3-8)；在蓝宝石衬底的自由表面上进行激光划线以形成沟槽或裂纹；以及，经由所述沟槽或裂纹，通过湿法蚀刻选择性地除去所述导电膜，从而除去所述蓝宝石衬底。可在衬底上形成至少一个导电膜作为该释放层或替代该释放层。
Description
技术领域
本发明涉及包含氮化物基化合物半导体(InxAlyGa1-x-yN：0≤x，0≤y，x+y＜1)层的半导体器件及其制造方法的改进。
背景技术
日本专利公开第06-196757号公开了可以用于蓝光发光二极管或蓝光激光二极管的氮化物基半导体器件。根据日本专利公开第06-196757号的公开内容，在510℃的温度下在蓝宝石衬底上生长厚约20nm的GaN缓冲层。在1030℃的衬底温度下，在GaN缓冲层上生长厚2μm的GaN层。此外，在800℃的衬底温度下，在GaN上生长InGaN发光层。
日本专利公开第2000-277804号公开了这样的技术，即，在形成于蓝宝石衬底上的氮化物基半导体叠层结构上层叠导电衬底，且随后通过抛光(lapping)等除去该蓝宝石衬底。
诸如日本专利公开第06-196757所公开的，由现有技术制造的氮化物基半导体发光器件中存在一些问题。
最重要的问题在于，形成于蓝宝石衬底上的多个氮化物半导体层内，螺位错密度显著增加。螺位错密度增大的原因如下。由于缓冲层在相对低的温度下形成于蓝宝石衬底上，且随后通过将温度上升500℃以上而生长GaN层，在该温度上升的过程中缓冲层表面上的原子再度蒸发，导致形成大量缺陷。因此，在随后生长的GaN层内产生大量的螺位错。这导致结果的发光器件的特性较差。
现有技术中的另一个问题为，由于蓝宝石衬底是绝缘体，因此无法在蓝宝石衬底背面上形成电极。这导致发光器件的更大的芯片尺寸及更高的成本。此外，蓝宝石衬底非常硬，难以将衬底划分成芯片。这导致发光器件的成品率降低。
为了解决这些问题，日本专利公开第2000-277804公开了下述方法。导电衬底层叠在形成于蓝宝石衬底上的氮化物基半导体叠层结构上，随后通过抛光除去蓝宝石衬底。之后，形成上电极与下电极，使得芯片尺寸可以减小。这种情况下，该导电衬底使用容易划分的硅衬底等，从而便于芯片划分。然而，实际上，极难通过抛光除去蓝宝石衬底，这导致发光器件的成品率降低。
其中的原因在于，由于氮化物基半导体与蓝宝石之间的热膨胀系数差异，具有生长在蓝宝石衬底上的氮化物基半导体叠层结构的晶片发生翘曲。翘曲导致晶片中心与边缘之间的水平偏差可达约几十微米，尽管该翘曲取决于氮化物基半导体叠层结构的厚度等。由于氮化物基半导体叠层结构的厚度为几微米，只有当晶片的翘曲被抑制到约亚微米时，才可能实现均匀抛光以除去衬底。否则将会导致，氮化物基半导体层在一部分位置被暴露，同时蓝宝石衬底在一部分位置残留。尽管日本专利公开第2000-277804号公开了除了抛光以外还使用蚀刻与以解决该问题，但目前难以获得可蚀刻蓝宝石的蚀刻剂且蚀刻速率非常慢。因此这种途径对于实际制造是不现实的。此外，干法蚀刻不能选择性地蚀刻蓝宝石，且使用传统方法难以制造具有上电极与下电极的发光器件。
此外，在由传统方法制造的具有上电极与下电极的发光器件中，形成于通过除去蓝宝石衬底而暴露的表面上的电极具有高的接触电阻，导致驱动电压增大以及由此导致功耗增加。
此外，根据日本专利公开第06-196757号的传统方法，蓝宝石衬底是透明的，因此发光器件的发光层内产生的光的很大部分穿过衬底，且光还从蓝宝石衬底的侧面出射，由此导致发光器件的轴向发光强度降低。氮化物基半导体发光器件经常用做显示器的背光，对于这种应用，最重要的不是从芯片发射的光的总数量，而是从芯片前表面发射的光的数量。因此，理想地要增加发光器件的轴向发光强度。
鉴于上述现有技术中的问题，本发明旨在改善氮化物基半导体器件的各种特性并改善器件的成品率。
根据本发明一个方面，制造氮化物基半导体器件的方法包括步骤：在蓝宝石衬底上形成至少一个导电膜；在该导电层上形成至少一个氮化物基半导体层；在衬底的自由表面上进行激光划线以形成到达导电膜的沟槽或裂纹；以及经由该沟槽或裂纹，通过湿法蚀刻选择性地除去该导电膜，以利于分离该衬底。
该导电膜可包含金属、合金或半导体中的任意一种。具体地，该导电膜可包含Mo、W、Ta、Nd、Al、Ti、Hf、Si、Ge、GaAs及GaP中的任意一种。对于导电膜预期具有至少50％的反射率的情形，该导电膜可包括含Ag或Al的金属或合金。该导电膜还可以是导电的金属氧化物，这种情况下该导电的金属氧化物可包含氧化铟。此外，该导电膜可具有多层结构。可以通过蒸镀方法、溅射或等离子体CVD方法形成该导电膜。
在形成至少一个氮化物基半导体层的步骤中，可以连续地沉积氮化物基半导体底层、第一导电类型的氮化物基半导体层、发光层以及第二导电类型的氮化物基半导体层。优选地，在至少900℃的温度下沉积氮化物基半导体底层。优选地，在不高于该氮化物基半导体底层沉积温度的温度下沉积第一导电类型的氮化物基半导体层。导电膜中包含的金属层可反应而形成氮化膜，该氮化膜可加工成电流阻挡层的形状。该氮化物基半导体底层可由InxAlyGa1-x-yN(0≤x，0≤y，x+y＜1)形成。
该导电膜可包含Mo层，且在形成至少一个氮化物基半导体层的步骤之后，该Mo层可被溶解在含氨水的溶液中，由此可以除去衬底。导电膜可包含氧化铟层，且在形成至少一个氮化物基半导体层的步骤之后，该氧化铟层被溶解在含氯化铁的溶液中，由此可以除去衬底。
根据本发明，该氮化物基半导体器件包含按下述顺序形成于衬底上的导电膜、氮化物基半导体底层、第一导电类型的氮化物基半导体层、发光层以及第二导电类型的氮化物基半导体层，其中在形成该第二导电类型的氮化物基半导体层之后，在衬底的自由表面上进行激光划线以形成到达导电膜的沟槽或裂纹，以及经由该沟槽或裂纹，通过湿法蚀刻选择性地除去该导电膜，以利于分离该衬底。
该导电膜可包含金属、合金及半导体中的任意一种。更具体地，该导电膜可包含Mo、W、Ta、Nd、Al、Ti、Hf、Si、Ge、GaAs及GaP中的任意一种。优选地，该导电膜的反射率至少为50％。该导电膜可具有多层结构。该导电膜可包含氮化膜，该氮化膜具有足够高的电阻率，使其可用于电流阻挡层。该氮化物基半导体底层可包含InxAlyGa1-x-yN(0≤x，0≤y，x+y＜1)。
在上述本发明中，由于在衬底与氮化物基半导体层之间提供了释放层，衬底的释放变得更容易，于是可以提高氮化物基半导体器件的制造效率。可 以使用导电膜形成该释放层。
形成导电膜所获得的第一个效果为：通过在衬底上预先形成由金属、导电氧化物等形成的导电膜，且随后在高温下在该导电膜上形成氮化物基半导体缓冲层，由此可获得具有低位错密度和良好结晶质量的氮化物基半导体层。
第二个效果为，对于制作包含上电极与下电极的氮化物基半导体器件的情形，使用湿法蚀刻溶解该导电膜，由此可以容易地分离蓝宝石衬底与外延氮化物基半导体叠层结构。因此，与采用衬底抛光的传统方法相比，成品率可以得到提高，且由于采用该工艺可以短时间除去衬底，器件的生产率也可以得到提高。
第三个效果为，对于通过蚀刻导电膜而分离蓝宝石衬底以暴露氮化物基半导体层的表面的情形，形成于暴露表面上的电极的接触电阻低于不使用导电膜的情形，于是可以减小所得的氮化物基半导体器件的驱动电压。尽管该现象的机制目前还不清楚，但可以从下述方面考虑。对于在传统方法中，氮化物基半导体层直接形成于蓝宝石衬底上且随后通过抛光分离衬底的情形，氮化物基半导体层被暴露表面上的原子状态可能不同于使用导电膜分离衬底的情形。假设由于导电膜的保护效果等，不期望的界面能级可能减少，这些界面能级可能在形成接触电极时导致形成欧姆缺陷。
在不除去导电膜的情况下，可获得第四个效果。当发光器件包含透明衬底时，来自发光层的光也传播进入衬底，相当大数量的光从透明衬底的侧表面出射。对于在衬底上形成具有恰当反射率的导电膜且随后在该导电膜上形成氮化物基半导体叠层结构的情形，光被导电膜反射，并不传播进入衬底，这使得可以提高轴向发光强度。
此外，当衬底不透明时，不透明衬底在大多数情况下具有低的反射率，因此从发光层向衬底侧发射的光大量被衬底吸收。对于在不透明衬底上形成具有恰当反射率的导电膜并在该导电膜上形成氮化物基半导体叠层结构的情形，从发光层发射的光被导电膜反射而不被衬底吸收，这使得可以提高从发光器件提取光的效率。
对于衬底为半导体衬底的情形，可以制作包含上电极与下电极的氮化物基半导体器件而不除去导电膜。另一方面，当不提供导电膜时，由于界面能级的影响而在半导体衬底与氮化物基半导体层之间的界面处形成势垒，使得 氮化物基半导体器件的驱动电压更高。然而，通过在形成导电膜之后形成氮化物基半导体叠层结构，可以降低氮化物基半导体器件的驱动电压。
通过结合附图对本发明的下述详细描述，本发明的前述及其他目标、特征、方面及优点将变得更加显而易见。
附图说明
图1为说明根据本发明实施方案的部分氮化物基半导体器件的制造工艺的示意性剖面视图。
图2为说明用于层叠的硅衬底的制作工艺的示意性剖面视图，其中该硅衬底作为一部分而接合到图1所示部分。
图3为说明通过将图1部分与图2部分组合的氮化物基半导体器件制作工艺的示意性剖面视图。
图4为图3之后通过进一步工艺步骤完成的氮化物基半导体器件的示意性剖面视图。
图5为根据本发明另一个实施方案的氮化物基半导体器件的示意性剖面视图。
图6为根据本发明另一个实施方案的氮化物基半导体器件的示意性剖面视图。
具体实施方式
实施方案1
图1的示意性剖面视图示出了根据本发明实施方案1的氮化物基半导体器件。在本发明的图示中，相同的参考符号表示相同或相应的部分。
在制作图1所示器件时，首先通过蒸镀在蓝宝石衬底1上形成厚5nm的Mo层2。Mo层2随后用做释放层，以允许容易地除去蓝宝石衬底1。通过蒸镀在Mo层2上形成厚3nm的Al层(后来转变成AlN层3)。在蓝宝石衬底上具有包含Mo层与Al层的晶片被引入MOCVD(金属有机物化学气相沉积)设备。
MOCVD炉腔控制成保持13.3kPa的内部压力，其中晶片被引入该炉腔。在13.3kPa的压力下，蓝宝石衬底1从室温被加热到1000℃，并在1000℃保持1分钟。此时，使得氢气以15l/min流动。接着，开始使得NH3以100ccm 流动，且几乎同时，开始供给TMG(三甲基镓)与TMA(三甲基铝)。TMG的流速为51.3μmol/min，TMA的流速为25.5μmol/min，氢气作为载气，总流速设置为30l/min。由此在60分钟内生长了厚约0.7μm的AlGaN缓冲层(底层)。此时，通过蒸镀形成的厚3nm的Al层被部分或完全氮化形成AlN层3。优选地，在至少900℃的衬底温度下沉积半导体底层4。尽管在实施方案1中示出了AlGaN底层4作为示例，但通常可以使用InxAlyGa1-x-yN(0≤x，0≤y，x+y＜1)底层。
随后，停止向炉腔供给TMG与TMA，NH3在100ccm流动，并使得氢气流动以获得30l/min的总流速。这种状态下，炉腔内的压力从13.3kPa改变为93.3kPa。压力在93.3kPa稳定之后，NH3的流速改变为3.5l/min，TMG流速设为160μmol/min，且以70ccm供给SiH4，从而生长厚4μm的n型GaN层5。从减小螺位错的角度考虑，优选地在不高于形成半导体底层4的衬底温度下形成该导电类型层5。
接着，衬底温度降低到800℃，并生长量子阱发光层6，该量子阱发光层6包含至少一个InGaN阱层与至少一个GaN阻挡层。之后，衬底温度增加到980℃，并连续生长p型AlGaN层7与p型GaN层8。在生长这些层之后，停止III族元素的原材料供给，同时，炉腔内的气体切换到含2％NH3的N2，且降低衬底温度。
从MOCVD炉腔取出冷却后的晶片。在p型GaN层8上，通过溅射形成作为接触电极的100nm厚的AgNd层9，在该AgNd层9上形成用于阻挡金属层的50nm厚的NiTi层10，并进一步在该NiTi层10上形成用于层叠金属层的1μm厚的Au层11。接着，蓝宝石衬底在其背面被研磨和抛光，直到晶片厚度变为100μm。图1的示意性剖面图示出了通过上述工艺步骤制作的氮化物基半导体器件的状态。
图2的示意性剖面视图示出了用于层叠接合到图1所示氮化物基半导体器件的硅衬底。在制作图2所示用于层叠的硅衬底时，在硅衬底21的下侧上连续形成Ti层22与Al层23，同时在硅衬底21的上侧上连续形成Ti层24、Au层25与AuSn层26。
如图3的示意性剖面图所示，图1的氮化物基半导体器件和图2的用于层叠的硅衬底被相互接合。特别地，图1所示氮化物基半导体器件的Au层11设置为面向并接触图2所示用于层叠的硅衬底的AuSn层25，因此Au层 11与AuSn层25通过热压接合而相互接合。接着，通过在蓝宝石衬底1的自由表面上进行激光划线，由此形成沟槽1a或裂纹1b，这些沟槽或裂纹的间隔对应于芯片尺寸。沟槽1a可到达Mo层2。当裂纹1b到达Mo层2时，沟槽1a无需到达Mo层2。
之后，图3的氮化物基半导体器件被置于氨水中，使得氨水渗透穿过裂纹1a而溶解Mo层2，因此蓝宝石衬底1被分离。通过使用上述氨水，可以选择性地仅蚀刻Mo层2而不溶解除了Mo层2之外的电极层或用于层叠的金属层，可以容易地分离蓝宝石衬底1。除去蓝宝石衬底之后被暴露的层为AlN层3，其中最初通过蒸镀沉积形成Al层且随后氮化该Al层而形成AlN层3。
如图4的示意性剖面视图所示，通过掩蔽而留下部分AlN层3，其余部分被干法蚀刻以部分暴露n型GaN层5。之后，形成作为透明电极的ITO(氧化铟锡)层31，以覆盖AlN层3a的残余部分以及n型GaN层5的暴露部分。在ITO层31上，Au焊盘电极32形成于与AlN层3a残余部分对应的区域上。通过这种布置，AlN层3a(高电阻层)可起着电流阻挡层的功能。因此，不是只在焊盘电极32的下方引入电流，可以减小由于焊盘电极32的屏蔽所致的光发射损耗。最后，通过在硅衬底21的下侧上使用激光划线进行芯片划分，提供发光器件芯片。也就是说，图4示意性示出了按照这个方式制作的发光器件芯片的剖面图。
以这种方式制作的氮化物基半导体发光器件总光通量时的光输出为30mW，其正向电压为3V。相反，根据传统方法的不提供Mo层2而制造的氮化物基半导体器件芯片的光输出为7mW，其正向电压为3.4V。也就是说，本发明可以实现氮化物基半导体器件芯片显著的光输出增大及正向电压降低。此外，根据实施方案1的发光器件芯片不仅具有高的总光通量，而且轴向发光强度约为根据传统方法制作的发光器件芯片的10倍。因此可以改善用于背光的侧向发光芯片LED的特性。
实施方案2
图5的示意性剖面图示出了根据本发明实施方案2制作的氮化物基半导体器件。在实施方案2中，形成厚80nm的ITO层(未示出)作为释放层，以替代实施方案1的Mo层2与AlN层3，并且省略实施方案1的AlGaN缓冲层4。
使用氯化铁溶液溶解ITO释放层，从而分离蓝宝石衬底(未示出)。由于使用氯化铁溶液，可以选择性地仅蚀刻ITO释放层，而不溶解除了该ITO释放层之外的电极层或用于层叠的金属层，可以容易地分离蓝宝石衬底。当在通过这种方式被暴露的n型GaN层5上形成ITO层31a时，可以获得良好的接触传导。按照这个方式制作的实施方案2的氮化物基半导体发光器件芯片的光学输出为30mW，其正向电压为2.9V。
实施方案3
图6的示意性剖面图示出了根据本发明实施方案3制作的氮化物基半导体器件。在实施方案3中，在蓝宝石衬底1上首先形成厚50nm、能够起着反光层功能的Ag层2a，随后在该Ag层2a上形成厚30nm的Al层，该Al层稍候被转变为AlN层3。在蓝宝石衬底上沉积了金属层的该晶片被引入MOCVD设备内。此外在实施方案3中，按照与实施方案1相似的方式生长多个氮化物基半导体层4至8，之后从MOCVD设备中取出该晶片。
接着，形成ITO层31b作为p电极。通过蚀刻除去ITO层31b的指定部分，并在被除去的部分，干法蚀刻多个氮化物基半导体层6至8，使得n型GaN层5被部分暴露。随后在n型GaN层5的暴露表面上形成用于n电极的ITO层31c。之后，接着，蓝宝石衬底在其背面被研磨和抛光，直到晶片厚度变为100μm，并通过激光划线将该晶片划分成芯片。
按照这个方式制作的实施方案3的氮化物基半导体发光器件芯片的光学输出为20mW，其正向电压为3.3V。在实施方案3中，从发光层6发射到衬底1侧的光被Ag层2a反射，并从芯片的前表面提取该光。也就是说，在实施方案3中，可以降低透射到蓝宝石衬底1侧且从芯片侧表面出射的光，因此与根据传统方法制作的芯片相比，该芯片的轴向发光强度可以增加约5倍。因此，可以改善用于背光的侧向发光芯片LED的特性。
类似于实施方案3，当在衬底上形成含包含反光导电膜的氮化物基半导体器件时，优选地导电膜的反射率为至少50％。由于导电膜具有这样的反射率，优选地，特别可以使用Alg层或Al层。
尽管在上文的实施方案1至3中已经描述了在蓝宝石衬底上形成Mo层与Al层、ITO层、或Ag层与Al层的示例，形成于衬底上的释放层或导电膜不限于这些示例，还可以使用适用于指定目的的任意金属、类金属、合金或半导体。具体地，形成于衬底上的释放层或导电膜可包含W、Ta、Nd、 Al、Ti、Hf、Si、Ge、GaAs及GaP中的任意一种，还可包含诸如氧化锡或氧化锌的其他导电氧化物以替代ITO。无需说，形成于衬底上的释放层或导电膜可具有多层结构。通过恰当地使用蒸镀、溅射、等离子体CVD等，可以容易地在衬底上形成释放层或导电膜。
如前所述，使用本发明，可以改善氮化物基半导体器件的各种特性及其产率。
尽管已经详细描述和说明了本发明，但可以清楚地理解，这些描述和说明仅仅是说明性和示范性的，而非限制性的，本发明的精神与范围仅由权利要求的条款界定。
Claims (16)
1.一种氮化物基半导体器件的制造方法，包括的步骤为：
在蓝宝石衬底上形成至少一个导电膜；
在所述导电膜上形成至少一个氮化物基半导体层；
在蓝宝石衬底的自由表面上进行激光划线以形成到达所述导电膜的沟槽或裂纹；以及
经由所述沟槽或裂纹，通过湿法蚀刻选择性地除去所述导电膜，以利于分离所述蓝宝石衬底。
2.根据权利要求1的氮化物基半导体器件的制造方法，其中所述导电膜包含金属、合金或半导体中的任意一种。
3.根据权利要求2的氮化物基半导体器件的制造方法，其中所述导电膜包含Mo、W、Ta、Nd、Al、Ti、Hf、Si、Ge、GaAs及GaP中的任意一种。
4.根据权利要求1的氮化物基半导体器件的制造方法，其中所述导电膜的反射率至少为50％。
5.根据权利要求4的氮化物基半导体器件的制造方法，其中所述导电膜由包括含Ag或Al的金属或合金形成。
6.根据权利要求1的氮化物基半导体器件的制造方法，其中所述导电膜由导电金属氧化物制成。
7.根据权利要求6的氮化物基半导体器件的制造方法，其中所述导电金属氧化物包含氧化铟。
8.根据权利要求1的氮化物基半导体器件的制造方法，其中所述导电膜形成具有多层结构。
9.根据权利要求1的氮化物基半导体器件的制造方法，其中通过蒸镀方法、溅射或等离子体CVD方法形成所述导电膜。
10.根据权利要求1的氮化物基半导体器件的制造方法，其中在形成至少一个氮化物基半导体层的所述步骤中，连续地沉积氮化物基半导体底层、第一导电类型的氮化物基半导体层、发光层以及第二导电类型的氮化物基半导体层。
11.根据权利要求10的氮化物基半导体器件的制造方法，其中在至少900℃的温度下沉积所述氮化物基半导体底层。
12.根据权利要求10的氮化物基半导体器件的制造方法，其中在不高于所述氮化物基半导体底层沉积温度的温度下沉积第一导电类型的所述氮化物基半导体层。
13.根据权利要求10的氮化物基半导体器件的制造方法，其中所述导电膜中包含的金属层反应形成氮化膜，且该氮化膜被加工成电流阻挡层的形状。
14.根据权利要求10的氮化物基半导体器件的制造方法，其中所述氮化物基半导体底层由InxAlyGa1-x-yN形成，其中0≤x，0≤y，且x+y＜1。
15.根据权利要求1的氮化物基半导体器件的制造方法，其中所述导电膜包含Mo层，且在形成至少一个氮化物基半导体层的所述步骤之后，所述Mo层被溶解在含氨水的溶液中，由此除去所述蓝宝石衬底。
16.根据权利要求1的氮化物基半导体器件的制造方法，其中所述导电膜包含氧化铟层，且在形成至少一个氮化物基半导体层的所述步骤之后，所述氧化铟层被溶解在含氯化铁的溶液中，由此除去所述蓝宝石衬底。
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